含冰月壤凍土鉆取采樣方案設計與驗證

季節 楊旭 張偉偉 肖濤 孫京 姜生元

(1 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)(2 哈爾濱工業大學 機器人技術與系統國家重點實驗室，哈爾濱 150001)(3 中國空間技術研究院遙感衛星總體部，北京 100094)(4 中國衛通集團股份有限公司，北京 100190)

依據多年遙感探測積累的觀測證據，研究者認為月球極區的永久陰影區中存在水冰[1-2]，但已有的證據均來自間接測量，尚缺乏關于月球水冰的直接測量證據，且其賦存狀態、含量、分布、來源等問題仍未得到解答[3]。因此，在月球極區著陸對月球水冰開展原位探測具有重要科學意義。對含冰月壤樣品的取樣和分析，是了解其組成并推斷其形成和演化的最直接和有效的方法，而通過鉆探取樣的方法獲取樣品是在以往行星探測任務中經過多次驗證的重要手段[4]。面向月球水冰的原位探測目標，國外規劃中的多個任務都設計了采用鉆取方式獲取含冰月壤樣品的方案，我國在探月工程四期任務中也計劃進入月球極區的永久陰影坑內對含冰月壤進行取樣，并由搭載的科學儀器進行原位分析[5]。

嫦娥五號任務是我國第1次地外天體采樣任務，采用中空鉆具和無滑差軟袋取芯的方案[6-7]，在月面作業中對月表以下深達1 m的月壤實現了連續采樣，獲得了具有良好層序保持性的連續月壤剖面樣品[8]。但是，嫦娥五號鉆具的取芯機構方案是為干燥月壤對象和采樣返回目標設計的，不適合于原位分析任務中的含冰月壤采樣。俄羅斯計劃中的月球-25(Luna-25)任務擬采用鏟挖的方式獲取含冰月壤樣品；月球-27(Luna-27)原計劃搭載ESA研制的鉆具，使用鉆頭處可開合的容腔實現含冰月壤采樣；美國毒蛇號(VIPER)月球車任務在傳統螺旋鉆桿的基礎上將鉆桿最前端的螺旋槽加深來容納月壤樣品。文獻[9]對上述多種含冰月壤鉆取采樣方案進行了比較分析，認為使用具有深槽螺旋結構的鉆具進行鉆孔和采樣是比較適合我國月球極區含冰月壤采樣探測需求的實施方案。

本文將從含冰月壤采樣分析技術特點和永久陰影坑月壤環境條件分析出發，對深槽螺旋鉆采樣方法的能力要求進行分解，基于回轉切削和螺旋輸送的機-土作用基本理論對深槽螺旋鉆具的關鍵結構參數和規程參數開展識別和分析，進行采樣方案的正向設計。構建模擬月壤試驗環境，對設計方案的鉆進能力和采樣能力進行測試，從而對采樣方案的可行性進行驗證。

1 采樣方案設計需求分析

1.1 含冰月壤采樣難點分析

月球上的水冰賦存在月球極區的永久陰影坑中，含冰月壤采樣鉆具需要由探測器平臺搭載進入永久陰影坑內開展鉆取采樣作業，根據永久陰影坑內環境條件和含冰月壤采樣分析技術特點，實現含冰月壤的采樣作業存在以下難點。

(1)作業時間約束強。永久陰影坑內無光照，沒有太陽能作為持續能源供應，無法維持長時間的坑內連續作業，因此對于在坑內的含冰月壤鉆取采樣作業提出了較強的時間約束。提高鉆具的采樣作業執行速度，特別是對含冰月壤凍土的鉆孔進給速度，是保證采樣任務順利完成的關鍵。

(2)月壤凍土機械強度高。月球永久陰影坑內環境溫度極低[10]，水冰可能與月壤顆粒以冷凍膠結形式存在，形成整體具有較高機械強度的月壤凍土，增大了鉆具鉆孔破碎月壤凍土獲取樣品的難度[11]。

(3)樣品原位分析儀器對樣品粒徑和質量存在要求。通過鉆孔取樣獲得的含冰月壤樣品需要轉移至分析儀器進行原位分析，儀器需求的樣品形態通常是細粒徑的碎屑形態，且有質量下限要求[12]，因此要求采樣鉆具能夠對獲取的月壤凍土樣品進行充分破碎，同時能夠一次性獲取較多質量的樣品。

(4)水冰分布具有隨機性。已有的月球水冰探測結果基于遙感方法獲得，空間分辨率差，難以在含冰月壤采樣探測需求的尺度上給出水冰賦存區域精確定位；水冰在永久陰影坑內可能以表面霜凍層、地下埋藏水冰等形式賦存[13]，可能在局部區域內呈現隨機分布的情況，增大了鉆孔取樣找到水冰的難度。

1.2 采樣能力要求分析

根據含冰月壤采樣作業的難點分析，采樣方案設計應滿足以下能力要求。

(1)月壤凍土高效鉆進能力。作業時間約束強、鉆孔載荷有限，且月壤凍土機械強度高，要求鉆具能夠以較高的進給速度實現月壤凍土的鉆孔破碎。

(2)重復使用多點采樣能力。永久陰影坑內水冰的賦存分布不明確，可能具有隨機性，因此要求采樣方案具有多次重復使用能力，從而允許在坑內多個采樣探測位置進行多次鉆孔和采樣，獲得較多樣品，提高找到水冰的概率。

(3)獲取碎屑形態樣品能力。鉆具獲取的月壤樣品需要為碎屑形態，而中空取芯方案因為會在穿透月壤凍土時保留整塊的硬質土芯作為樣品而不適合采用，需要采用全面鉆頭在鉆進過程中對整個鉆孔截面的月壤凍土進行破碎，然后捕獲碎屑形態的月壤樣品。

2 采樣方案設計

采樣方案的設計需要滿足獲取碎屑形態樣品和多次使用的要求，同時還需要提高對凍土的鉆進能力、保證單次采樣獲取月壤樣品的質量。

2.1 深槽螺旋鉆采樣方案

根據分解出的采樣方案能力要求，提出了采用小直徑鉆具以回轉沖擊鉆進方式實現月壤凍土高效鉆孔、使用具有深槽螺旋結構的鉆桿(以下稱為“深槽螺旋鉆”)進行月壤采樣的方案，如圖1所示。回轉沖擊鉆進的原理如圖1(a)所示，回轉電機帶動鉆桿旋轉切削，轉速為nd；沖擊電機帶動沖擊凸輪旋轉，凸輪推動作為沖錘的凸輪從動件壓縮沖擊彈簧儲能，越過釋放點后將彈簧勢能轉化為沖錘的動能敲擊鉆桿，實現對鉆具一定沖擊功W和頻率可調的沖擊作用，疊在加鉆頭原有的鉆壓力Fpen上對高機械強度的月壤凍土實現輔助破碎。

深槽螺旋鉆的前端鉆桿是為容納月壤樣品專門設計的，相對于鉆桿外徑而言，具有較深的螺旋槽，以增加月壤樣品的容積，同時具有較小的螺旋升角，以減緩月壤在螺旋槽中的輸送速度。采用全面型鉆頭設計，在鉆進過程中將鉆孔路徑上的月壤凍土破碎為細顆粒碎屑形態，產生的月壤碎屑進入深螺旋槽內被捕獲成為月壤樣品，滿足了樣品形態要求，多余的月壤沿后端螺旋排除；將螺旋槽內的月壤清掃或傾倒清除后可以多次重復使用，能夠滿足月球極區多點取樣分析的要求。深槽螺旋鉆的取樣過程包括如圖1(b)所示的4個階段。①鉆進階段：鉆具從月壤表面開始鉆孔，轉速為nd，進給速度為vp，直到鉆頭到達需要開始取樣的目標深度；②取樣階段：在鉆頭到達目標地層后(如含水冰的月壤層)，鉆具繼續鉆進，鉆頭新破碎產生的月壤樣品填充到鉆桿前端深螺旋槽，達到在采樣地層中所需的采樣長度Ls后停止；③提鉆階段：鉆具停止鉆取并向上提出鉆孔；④刷樣階段：使用刷樣機構配合鉆具的回轉和進給運動，獲取填充在螺旋槽中的月壤樣品。

2.2 鉆進能力分析

對深槽螺旋鉆的鉆進能力進行設計分析，提高其在月壤凍土中鉆進能力的主要方法包括減小鉆頭直徑和增加沖擊輔助。

在高強度的月壤凍土中鉆進時，鉆頭切削刃在有限的鉆壓力下難以壓入凍土，造成鉆頭打滑而無法進行有效切削。雖然通過改進鉆頭切削刃的材料性能、優化鉆頭結構尺寸等方面可以在一定程度上提高鉆頭的鉆進效能，但決定鉆頭鉆進速度的核心因素是單位鉆孔面積上能夠獲得的鉆壓力。在有限的鉆孔作業載荷下，減小鉆具的直徑可以增大切削刃接觸凍土的壓強，提高鉆進速度。建立如圖2所示的鉆進速度預測模型，分析鉆頭直徑對鉆進速度的影響，將鉆頭的切削刃取一小段直線微元，將回轉切削運動展開簡化為小尺度的直線切削運動組合，以正交切削假設建立切削負載模型。假設月壤凍土的切削破壞符合莫爾-庫倫強度準則，沿圖2(b)中所示剪斷面破壞。其中：hc為切削刃的切削深度；R為鉆頭直徑；fR為切削刃微元的切削阻力；fcut和fpen分別為fR在水平和豎直方向的分力；γ為切削刃前角；λ為月壤凍土的剪切破碎角；φs為月壤凍土的內摩擦角；φc為月壤凍土與鉆頭切削刃之間的摩擦角；Fs為剪斷面上由正應力和內摩擦力引起的合力；Fτ為剪斷面上破壞凍土內聚力所需要的剪切力。

圖2 鉆進速度預測模型Fig.2 Prediction model of feed rate

對月壤凍土切屑塊做受力平衡分析，可推導出單位切削刀寬度的2個切削分力分別為

(1)

式中：c為月壤凍土的內聚力。

按最小能量原理，λ應該使破碎時的切削合力最小[14]，因此有λ=(π/2-φs-φc+r)/2。將式(1)沿鉆頭半徑方向積分，即可得到鉆頭所需的切削扭矩Mcut和鉆壓力Fpen分別為

(2)

計算140 N鉆壓力、120 r/min鉆頭轉速條件下，4.0%含水率月壤凍土和8.5%含水率月壤凍土的理論鉆進速度與鉆頭直徑之間的關系，結果如圖3所示，鉆進速度隨鉆頭直徑的減小而顯著增加。要求鉆具在鉆進8.5%含水率凍土時，鉆進速度不小于10 mm/min，則鉆頭的直徑應該小于25 mm；但是，鉆具直徑過小時，細長鉆桿的抗彎剛度和抗失穩載荷也迅速降低，因此鉆具直徑也不能過小。經校核計算，鉆具的直徑設計為20 mm。

圖3 理論鉆進速度與鉆頭直徑關系Fig.3 Theoretically predicted feed rate in relation to drill diameter

另外，對鉆桿進行沖擊，傳遞到切削刃的瞬時沖擊力也能夠實現對凍土的有效破碎，從而提高鉆進速度。決定鉆頭對凍土沖擊破碎能力的關鍵參數是驅動機構在單次沖擊中能夠提供的沖擊功，涉及到沖錘與鉆桿的碰撞過程、應力波在鉆桿中的傳遞過程和鉆頭切削刃對凍土的沖擊過程。采用動力學仿真方法，對鉆具沖擊凍土的耦合過程進行仿真計算(如圖4所示)，結果表明：在沖錘獲得2 J動能條件下，月壤凍土中受沖擊產生的最大主應力可達68 MPa。經單軸抗壓強度測試，含水率8.5%、相對密實度99%工況的含水模擬月壤凍土的單軸抗壓強度為35～40 MPa。因此，2 J沖擊功足夠實現高機械強度凍土的破碎，加快鉆進速度。

圖4 凍土沖擊應力動力學仿真Fig.4 Dynamic simulation of impact stress in regolith

2.3 采樣能力分析

深槽螺旋鉆的采樣能力設計主要考慮使月壤樣品在螺旋槽中達到一定填充密度和質量，對鉆桿前端深螺旋槽的結構尺寸和采樣階段的鉆進規程參數進行分析和設計。

深槽螺旋鉆桿的結構尺寸如圖5(a)所示，涉及的尺寸參數較多，但可以劃分為徑向和軸向2個尺寸鏈。在鉆桿外徑ro確定的情況下，螺旋槽深度df確定了徑向尺寸鏈；對于軸向尺寸鏈，l為導程，螺旋翼厚度h通常考慮結構強度需求確定(取1.5～2.0 mm)，因此螺旋槽寬度wf是待確定的軸向尺寸鏈參數。假設采樣過程中月壤樣品能夠充滿螺旋槽，沿螺旋槽的螺旋上升方向取圓心角為ε的月壤微元，進行受力分析，如圖5(b)所示。其中：α為螺旋槽的螺旋升角；ri為螺旋槽內徑，ri=ro-df；β為月壤微元的排屑角，由輸送流量決定；m為月壤微元的質量；g為重力加速度；ω為鉆頭旋轉角速度；Fr為慣性離心力；月壤微元內、外、上、下側面的法向力分別為Fin,Fout,Ftop,Fbot。

圖5 鉆桿螺旋槽中月壤輸送模型Fig.5 Model of lunar regolith conveying in auger flutes

由于期望獲得較多質量的月壤樣品，假設月壤微元在螺旋槽中為擠密狀態，存在各項同性的均勻內應力σ，則月壤微元內、外、上、下4個側面的摩擦力分別為

(3)

式中：μs為月壤的內摩擦系數；μc為月壤與鉆桿螺旋槽間的滑動摩擦系數；螺旋槽中徑r=ro-1/2df；Sin,Sout,Stop,Sbot分別為月壤微元內、外、上、下4個側面的面積。

假設月壤在螺旋槽中穩態輸送，前后側面由內應力引起的推力Ffrt和阻力Fbk相等，月壤微元完全由外側面鉆孔壁的摩擦力推動進行穩態輸送，則月壤微元在沿螺旋槽方向上受力平衡，即

mgsinα+fin+ftop+fbot=foutcos(α+β)

(4)

可以解得螺旋槽內月壤密度與內應力之間應滿足的函數關系為

(5)

螺旋槽中月壤的密度還應該符合月壤的壓縮應力-密度本構關系[15]，從而可以根據式(5)計算螺旋槽內月壤密度與鉆桿螺旋槽結構參數和規程參數間的關系。分別計算地球與月球不同重力場條件下，螺旋槽寬度尺寸變化和螺旋槽深度尺寸變化對填充月壤樣品密度、質量的影響，結果如圖6所示。根據理論分析結果，在螺旋槽深度df不變時，雖然采樣密度和采樣質量隨螺旋槽寬度wf增大而減小，但總體而言影響較小。與之相比，螺旋槽深度對采樣密度的影響較大，螺旋槽深度的增加使得鉆桿螺旋槽的排屑截面積增大，月壤排屑速度減慢，排屑壓力增加，從而增大了螺旋槽內的月壤密度；螺旋槽深度的增加同時增大了螺旋槽的容積，導致獲得的樣品質量進一步增大，但過大的螺旋槽深度會導致鉆桿內徑過小，削弱鉆桿強度。要求單次采樣獲得的樣品量至少為5 g，則取螺旋槽深度為4.5 mm、螺旋槽寬度為7.5 mm時可以滿足要求。

確定螺旋槽結構后，進一步對取樣時鉆頭的轉速和進給速度2個規程參數對采樣效果的影響進行計算，結果如圖7所示。根據計算結果，鉆頭轉速是影響采樣量的主要因素。當轉速增加到超過一個臨界值后，螺旋槽中月壤的慣性離心力已經增大到可與鉆孔壁之間產生足夠的驅動摩擦力，驅動月壤沿螺旋槽輸送，此時月壤內應力消失，無法在螺旋槽中擠壓密實，月壤樣品的密度迅速降低，無法保證獲取樣品的質量。臨界轉速與重力場環境相關，在月面重力環境下約為130 r/min，因此為保證采集月壤樣品的質量，月面采樣作業時，轉速上限不應超過130 r/min。在鉆頭轉速一定時，采樣量對進給速度的變化不敏感。因此，在鉆進高機械強度的月壤凍土時，即使進給速度降低，只要控制好轉速不超過臨界轉速，對采樣效果的影響就不大。

圖7 鉆進規程參數對采樣效果的影響Fig.7 Impact of operational parameters on sampling performance

3 采樣方案設計驗證

根據設計分析，確定了采樣方案的關鍵參數，匯總如表1所示。鉆桿和鉆頭基體采用不銹鋼加工制造，鉆頭切削刃選用硬質合金磨制并焊接到鉆頭基體上。制備了模擬月壤樣本，分別對采樣設計方案的鉆進效能和采樣效能進行測試。

表1 采樣方案關鍵參數匯總Table 1 Summary of key parameters of sampling scheme

3.1 鉆進能力驗證

對于采樣方案的鉆進能力驗證，需要在地面制備能夠模擬月球極區中月壤凍土強度的模擬物材料，稱為模擬月壤凍土。使用CUG-1A模擬月壤[16]，選用其中粒徑小于1 mm的部分，在烘箱中以105 ℃烘干8 h，除去模擬月壤原料中的天然水分。制備模擬樣本的主要過程包括：①水分配置：按設定的含水率指標向烘干的模擬月壤中定量加入去離子水，充分混合均勻后密封靜置保存一晝夜，使水分在毛細力作用下自由遷移擴散均勻；②密度控制：隨后使用壓力機對含水模擬月壤進行壓制，使模擬月壤原料的相對密實度達到95%以上；③溫度控制：為防止直接使用液氮冷媒對模擬月壤凍土樣本制冷時樣本在迅速降溫中凍裂，采用三級梯度冷凍方法，分別用-30 ℃冰箱、-80 ℃冰箱和液氮浴對試樣進行慢速梯度制冷，允許樣本內應力在冷凍過程中緩慢釋放。樣本冷凍過程中對溫度進行實時監測，直到樣本溫度低于-180 ℃時開始鉆進試驗。采樣鉆具模擬月壤凍土鉆進試驗如圖8所示。

圖8 模擬月壤凍土鉆進能力驗證試驗Fig.8 Verification test for drilling capability with icy lunar regolith simulation

在4.0%和8.5%含水率凍土樣本中，采用不同的規程參數組合進行鉆進能力試驗，結果匯總如表2所示。

表2 鉆進能力測試結果Table 2 Test results of drilling capability

對于4.0%含水率的模擬月壤凍土樣本，在120 r/min轉速、140 N鉆壓力條件下實現的平均進給速度為45.8 mm/min，與理論預測結果較為接近。考慮降低鉆具轉速進行鉆進時有利于增加月壤樣品在螺旋槽中的填充密度，從而增加采樣質量；轉速的降低同時也降低了鉆頭在穿透凍土過程中向鉆孔內輸入的功率，有利于減少對含冰月壤樣品的熱擾動，因此將轉速降低到60 r/min時進行了鉆進能力測試。采用60 r/min轉速、140 N鉆壓力條件時，平均鉆進速度降低到12.4 mm/min，已經接近10 mm/min的最低鉆進速度要求。提高鉆壓力或者啟動沖擊，可以有效提高鉆進速度，鉆壓力提高到190 N時，鉆進速度增加到30.5 mm/min；不增大鉆壓力而啟動沖擊鉆進時，在5 Hz和10 Hz沖擊頻率下分別達到了24.0 mm/min和30 mm/min的平均鉆進速度，相比未啟動沖擊的工況大幅提高了鉆進速度。

含水率為8.5%的模擬月壤凍土樣本具有遠高于4.0%凍土樣本的機械強度，常規的回轉鉆進模式在額定參數下難以完成鉆進，在鉆壓力140 N、轉速提高到200 r/min時，平均鉆進速度僅達到4.7 mm/min，與理論預測結果產生了較大的偏差。將鉆壓力提高到190 N并開啟10 Hz沖擊輔助的情況下，鉆進速度增加到13.2 mm/min，滿足了最低鉆進速度的要求。

鉆進能力驗證試驗結果表明：采樣方案設計能夠滿足不同含水率凍土工況下的鉆進速度要求，采用的減小鉆頭直徑及增加沖擊功能的方法能夠有效提高鉆具在月壤凍土中的鉆進速度。

3.2 采樣能力驗證

對鉆具采樣能力的驗證采用干燥的CUG-1A模擬月壤開展，與鉆具鉆進能力的驗證試驗解耦進行。模擬月壤在螺旋槽中的輸送特性與其流動性有關，表征顆粒材料流動性的最常用參數是自然堆積角[17]。試驗時測量了干燥模擬月壤和破碎的低溫含冰模擬月壤的自然堆積角，當模擬月壤的含冰率分別為0.0%，3.0%，5.0%時，平均自然堆積角分別為47.3°，47.8°，48.9°。因此，含冰率的變化對模擬月壤的流動性影響不大，采用干燥模擬月壤代替凍土樣本開展采樣能力試驗是可行的。

采樣能力驗證試驗如圖9所示。干燥模擬月壤的機械強度低，能夠允許鉆具在較大范圍內調整鉆進規程參數，從而評估不同鉆進規程參數對采樣效果的影響。鉆具的回轉和進給運動均采用速度閉環控制，以恒定轉速和進給速度在模擬月壤中鉆進100 mm后提鉆，測量螺旋槽內填充樣品的質量和密度來評估鉆具的采樣能力。

圖9 鉆具采樣能力驗證試驗Fig.9 Verification test for sampling capability of drilling tool

以恒定進給速度vp(50 mm/min)和不同的鉆具回轉速度對99%相對密實度的干燥模擬月壤進行多次鉆進采樣試驗，結果如圖10所示。試驗結果與理論預測結果符合性較好，驗證了采樣方案設計分析的正確性。試驗結果也驗證了理論預測模型的正確性，因此可以通過理論計算獲得月面重力環境下采樣效果的可信預測值。在與4.0%含水率凍土鉆進工況相接近的120 r/min轉速、50 mm/min進給速度工況下，測量得到的采樣質量為7～8 g。根據理論預測結果，使用相同鉆進規程工況在月面重力條件下，能夠獲得的月壤樣品質量預計在6 g左右，能夠滿足最小采樣量的要求。

圖10 進給速度50 mm/min的采樣效果Fig.10 Sampling performance with a feed rate of 50 mm/min

根據鉆進能力試驗和采樣能力試驗結果，深槽螺旋鉆采樣方案設計能夠滿足鉆進能力和采樣能力的指標要求，方案設計的可行性得到了驗證。

4 結束語

面向我國探月工程四期中含冰月壤采樣與原位分析的探測需求和永久陰影區環境條件，總結出了對采樣方案的能力要求，提出了使用深槽螺旋鉆進行月壤鉆孔采樣的新方案。對于采樣方案的鉆進能力提升和采樣能力保證需求，從機-土作用理論出發開展了關鍵參數的正向設計分析，通過試驗驗證了方案設計的可行性，研究成果可為我國開展月球極區含冰月壤采樣探測提供可選方案。考慮鉆具需要在月球極區永久陰影區的深低溫環境中工作，未來將繼續開展鉆具材料選擇優化、制造工藝改進等方面的研究，以提高鉆具的低溫適應性。